宇宙的密码——宇宙大爆炸

探索·发现

在霍伊尔提出“如果大爆炸真的发生过，请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里”的质疑以后，伽莫夫和他的学生就开始研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信:高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，也不会完全消失。伽莫夫依据什么得出这样的结论呢？

寻找遗留的“痕迹”——辐射

如果我们烧一堆篝火，或者进行一次爆炸，都会产生明亮的光，这些光向四面八方飞去，以后我们自己再也没有机会看到。但是假如有一个外星人在遥远的地方向这里眺望，他是可以看到这些光的。由于宇宙大爆炸是在整个宇宙中发生的过程，因此，无论我们向哪个方向看，都能看到这些光。随着宇宙的膨胀，这些光的波长也在增加，现在处于毫米波的微波波段，温度也已经低到绝对零度（－273℃）以上几度，所以肉眼看不见了，但还是应该能用仪器探测到。

知道这一点，伽莫夫对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。在前苏联，核武器设计负责人泽尔多维奇和他领导的科研小组，在完成氢弹的设计研究工作后，也开始研究宇宙大爆炸理论，他们也注意到，大爆炸过后会有余光残留下来。可用什么观测手段，才能找到这样的辐射呢？由于长期从事国防研究，他们一直关注着美国在电子技术方面的最新进展：美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的高灵敏度微波天线。苏联人注意到，这座天线的灵敏度应该足以探测到大爆炸的遗迹。然而阅读美国人关于这座天线的实验论文，似乎并没有提及这样的热辐射，这使苏联人一度认为，宇宙大爆炸理论也许并不成立。

实际上，贝尔实验室对这座天线性能的测试并不彻底，对卫星通信来说这也不是必要的。卫星通信实验结束以后，贝尔实验室的两位科学家，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊希望用它做一些射电天文研究，在正式开始研究以前，他们决定先进行严格的测试和校准。

在进行测试和校准的过程中，他们意外地发现天线接收的信号里有多余的噪声。他们不知道噪声从何而来，也许传输线路和电子器件本身会有噪声；也许噪声来自大气层或是地面辐射;还是城市的噪声传了过来？可这些可能性一一排除以后，噪声依然存在。找不出问题的根源使他们非常着急。

奇怪的无线电噪声让威尔逊和彭齐亚斯用了一年的时间彻底检查他们的天线。第二年，就在他们快要绝望的时候，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克说：他的一位朋友曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过一个报告，他们发现的奇怪噪声，可能正是普林斯顿大学狄基小组正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。

狄基教授是位很有思想的科学家(图1)，在他看来，宇宙可能既不像霍伊尔所说的那样永恒不变；也不像勒梅特和伽莫夫所设想的在某一时刻创生。宇宙可能是永恒存在却循环往复：先膨胀然后再收缩，缩到一定程度再反弹，开始新一轮的膨胀（图2）。他意识到在这样的模型中，宇宙收缩后反弹的那一刻，温度、密度也很高，其实非常类似伽莫夫的宇宙大爆炸条件。而且，他也意识到爆炸后会有热辐射遗留下来。

（1）科学家狄基

（2）狄基认为:宇宙可能是永恒的循环往复的

狄基教授在第二次世界大战时，曾从事雷达研究，并发明了计量微波辐射的仪器。这个仪器正好在此次实验当中用上。他让助手之一的皮伯斯从事理论计算；而另一位助手威尔金森则设计实验仪器。他们将天线安装到了普林斯顿大学的屋顶上。就在他们自信把探测仪器调试得完美无缺的时候，他们接到了罗伯特·威尔逊的电话。

电话铃响的时候，普林斯顿大学研究组的成员都在狄基教授的办公室。当他们听说了有关天线的事时，大家的耳朵都竖起来了。因为在他们听来，贝尔公司拥有普林斯顿正在建造的设备，而且似乎也在做同样的工作。狄基教授接完电话后对他的同事们说:“我们被人抢先了！”

狄基教授和他的同事们，立刻带上自己的资料来到贝尔实验室，他们要亲身体会这个无线电波的噪声。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时，他们终于明白，那个推论中的宇宙大爆炸的“痕迹”，被他们无意中发现了。

宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸“痕迹”的发现，以确凿的证据证明了，宇宙的确曾经处于与今天完全不同的高温高密状态，这是继哈勃发现宇宙膨胀之后，宇宙学研究上的又一个重大突破。

认为宇宙起源于“原始原子”，并以此说服爱因斯坦的勒梅特，在他临终前几天听到了这个消息。他的宇宙创生于“没有昨天的那一天”的猜想，终于被科学所证明。而建立了完整的大爆炸理论，并对遗迹辐射温度作出科学预言的伽莫夫，则以他特有的幽默来回应人们的祝贺:“我也许确实丢过一分钱。但当有人在街上捡到一分钱时，我也不能说那一定就是我丢的。”这位谦逊的物理学家于1968年去世，而彭齐亚斯和威尔逊，也因为自己的发现，在13年后的1978年，获得了诺贝尔物理学奖（图3）。

（3）发现了大爆炸“痕迹”的彭齐亚斯和威尔逊，于1978年获得了诺贝尔物理学奖

发现时空的“奇点”——黑洞

宇宙微波背景辐射被发现的时候，斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位，这件事情很可能促使他选择了大爆炸和爱因斯坦的相对论，作为博士论文的研究主题。

霍金刚到剑桥的时候是想拜霍伊尔为师的，但霍伊尔那时不收新学生，霍金转投到了丹尼斯·希尔玛门下。丹尼斯·希尔玛开始也是稳恒态理论的支持者，后来转为支持大爆炸理论了，他对霍金的帮助很大。

研究活动刚开始，霍金就遇到了很大的麻烦：在剑桥，霍金并没有一个好的开始，他刚被诊断出得了肌肉萎缩侧向硬化症，根本不知道能不能活到念完博士，而又一直找不到适当的论文题材（图4）。

（4）身患严重疾病的霍金仍顽强地为科学而努力

斯蒂芬·霍金当年的导师丹尼斯·希尔玛，晚年住在意大利的威尼斯。他回忆那时的情景说:博士论文必须要包含大量的原创知识，这是一个很大的负担。因为你必须要在3年时间内作出这样一篇论文，里面一定得要有成果。当时正是宇宙学不很兴盛的时候，斯蒂芬的进度很慢。他找不到好的论文题目，而希尔玛自己也没有好的东西给他。

时间越来越少，在剩下不到一年的时候，斯蒂芬·霍金受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发，决定从爱因斯坦的相对论入手，看看它对宇宙还能预示些什么。霍金的导师希尔玛是彭洛斯的好朋友，希尔玛就决定到牛津去，听听彭洛斯的意见。

彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果，即由于引力的驱使，大量的物质，坠入一个密度极大的区域中，以致光都无法从中发出来，这个区域就是“黑洞”。黑洞中存在着一个密度无限大的点，在这里，一切已知的物理学定律，都要失效，这就是所谓时空的“奇点”（图5）。

（5）图组:（左）由于引力驱使，大量物质坠入了一个密度极大的区域——黑洞中

（右）黑洞中的所谓时空的“奇点”

彭洛斯的研究结果显示，宇宙中大质量的物质，即大质量的恒星会坍塌，并最后被压缩成“黑洞”，这一过程在所难免。霍金恰好就从这一点寻找到了突破，据他的导师希阿玛回忆，霍金意识到，如果把彭洛斯所描绘的坍塌过程反转过来，那么扩张的宇宙也就是正在反向的坍塌。这恰好就是大爆炸发生的过程。

1970年，霍金和彭洛斯在论文中证明，如果广义相对论和经典物理学是正确的，那么，时空中一定存在着“奇点”。因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。

卫星COBE的精确探测

宇宙微波背景辐射被发现后，一些原来主张稳恒态理论的人，转而接受大爆炸理论。但是霍伊尔并没有完全认输，他和持相同观点的几位科学家，一直尝试用别的办法解释宇宙微波背景辐射。他们设想，普通星系发出的光，如果被宇宙中均匀分布的尘埃吸收，然后再以较低的能量发射出来，会不会也能产生我们看到的宇宙微波背景辐射呢？

霍伊尔所说普通星系发射的光，产生的辐射很难具有完美的黑体辐射谱。所谓黑体是指能够吸收而不反射和透射所有波长电磁辐射的物体。这种辐射在室温下因肉眼不可见而呈黑色，1000度左右呈红色，随温度升高陆续转为黄色、白色。炼钢工人就是这样从炼钢炉窗口所看到的颜色来判断炉温的（图6）。早期宇宙满足黑体条件，它产生的辐射应该有接近完美的黑体辐射谱。

（6）如同炼钢炉中的颜色，随着温度升高而变化

彭齐亚斯和威尔逊的观测只是在一个波长处进行的，虽然与绝对温度3度的黑体辐射在该波长的强度相符，但要进一步证实它是不是大爆炸的遗迹，是否具有完美的黑体辐射谱，还需要在其他各个波长，特别是毫米波段进行精确测量。1975年，美国航空航天局决定，采纳本局戈达德航天中心物理学家约翰·马瑟等人的意见，专门研制一颗卫星，用以对宇宙微波背景辐射进行精确测量。这颗卫星被命名为COBE。马瑟负责辐射谱仪的研制，还担任了COBE卫星的总负责人（图7）。

（7）COBE卫星总负责人马瑟

1989年一个多风的早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上了太空。COBE 最初9分钟的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱，大爆炸理论得到了进一步的证实。

大爆炸理论已接近完整。但是仍然有一个重要的问题:如果要形成星系，最初的宇宙必须不是完全均匀的。彭齐亚斯和威尔逊发现的辐射，应该能够反映这一点。但它却似乎与方向无关，如果大爆炸理论正确，那么各方向上的辐射必定有所不同，这一定要有观察的证明。

今天的宇宙并不是完全均匀的。早在哈勃和兹威基的时代，从事观测的天文学家们就发现，在他们得到的照相底片上，星系的分布并不是完全均匀的，而是有的地方密一些，有的地方稀一些。但是，星系在空间中究竟是怎样分布的呢？

20世纪80年代，几个研究小组分别测量了几千个星系的红移。其中影响最大的是哈佛－史密思天体物理中心的观测。这些观测揭示了星系的三维空间分布（图8）。

（8）从星系的分布示意图看，星系的分布不是完全均匀的

星系结构的不均匀分布，导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点，尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大，经常要以10亿光年来计算。那么，这些大尺度结构又是怎样形成的呢？

美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中，物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。如果是这样，宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏，天文学家称之为各向异性。而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性，是COBE卫星的另一个重要任务。

这个任务，落到了美国伯克利大学教授——乔治·斯穆特的肩上。乔治·斯穆特是一位宇宙学家，他认为，这项工作是一个大的挑战。如果能找出宇宙微波背景辐射在不同方向上的微小变化，宇宙形成及扩张的秘密，将进一步解开。

斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线，开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图来标出大爆炸残留的遗迹，并勾画出银河及宇宙的结构。随后，斯穆特和他的小组，研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的，具备高灵敏度的仪器。为了把这样精密的仪器带出大气层，他们最早尝试使用充氦的气球。但是气球很不可靠，而且容易受风的影响改变方向。他们又选择改用U2飞机，但很快发现飞机不能像气球那样停留在同一个位置，再加上燃料的限制，使用飞机的计划也只好放弃。

他们发现，最好的选择是使用人造卫星。因为人造卫星完全在地球大气层之外工作，又可以停留在地球同步轨道的任何位置上，既具有必要的稳定性，又不用担心来自大气层的干扰。

几年之后，美国太空总署给了斯穆特机会，这就是COBE卫星。COBE卫星升空不久，就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候，斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，斯穆特将它称之为“宇宙蛋”。

这个宇宙蛋所显示的，是大爆炸结束时宇宙的图像（图9），粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的，但是如果我们去掉均匀的背景，就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域。在这幅图中，我们看到，由于地球相对于宇宙微波背景辐射的运动，多普勒效应导致一边温度更高，这里用红色表示。我们再除去地球的运动。中间的红色带是由于银河系辐射的污染。再去掉这一块，剩下的就是宇宙微波背景辐射的“皱纹”。形成星系所不可缺少的，大爆炸后存留于宇宙不同方向上的，温度细微变化的证据被找到了。

（9）显示大爆炸结束时宇宙的图象——宇宙蛋

斯穆特当时还不敢完全相信这个结果，他因此请求组里一位同事再重新单独处理一下COBE发回来的数据，但是他没有告诉这位同事他自己已经得到的结果。第二天早上，斯穆特在自己办公室的门下看到一张计算机图像，这张图和斯穆特自己用计算机绘制出来的图，一模一样。上面还贴着一张写有希腊文“Eureka”字样的纸条，这个希腊词“Eureka”，是阿基米德发现浮力原理以后说的。意思是“我找到了，我发现了” ！

COBE的探测结果，使大爆炸的理论再次得到观测的证实，大爆炸也终于被大多数人所接受。斯穆特教授筹建了一个博物馆来纪念这项发现。当然，COBE的成功也有约翰·马瑟的功劳。由于约翰·马瑟和乔治·斯穆特在宇宙微波背景辐射研究中的贡献，他们在2006年获得了诺贝尔物理学奖。在马瑟和斯穆特获得诺贝尔奖的31年前，也就是1975年，斯蒂芬·霍金也因为大爆炸理论，得到了罗马教皇的接见。宇宙产生于一次大爆炸的观点，在科学和宗教两方面，都能找到认同。然而，大爆炸的理论并非就此完美无缺，它仍然还有一些问题需要解决。

1978年11月13日，美国普林斯顿大学的狄基教授，来到康奈尔大学做关于宇宙学的学术报告。在狄基的听众中，有一位是在粒子物理学研究组做博士后的阿伦·古思。谁也没有想到，就是这场报告，在当时名不见经传的古思心里，埋下了一颗种子。不久之后，古思提出了关于宇宙起源的新理论，使人们对宇宙大爆炸的认识，又深入了一步。